Laser đông lạnh là gì

Khái niệm laser hoạt động ở nhiệt độ thấp không phải là mới: laser thứ hai trong lịch sử là đông lạnh. Ban đầu, khái niệm này rất khó để đạt được hoạt động ở nhiệt độ phòng và sự nhiệt tình đối với công việc nhiệt độ thấp bắt đầu vào những năm 1990 với sự phát triển của laser và bộ khuếch đại năng lượng cao.

Trong sức mạnh caoNguồn laser, các hiệu ứng nhiệt như mất cực, ống kính nhiệt hoặc uốn cong tinh thể laser có thể ảnh hưởng đến hiệu suất củaNguồn sáng. Thông qua việc làm mát nhiệt độ thấp, nhiều tác dụng nhiệt có hại có thể được triệt tiêu một cách hiệu quả, nghĩa là môi trường tăng cần được làm mát đến 77K hoặc thậm chí 4K. Hiệu ứng làm mát chủ yếu bao gồm:

Độ dẫn đặc trưng của môi trường tăng bị ức chế rất nhiều, chủ yếu là do đường dẫn tự do trung bình của dây được tăng lên. Kết quả là, độ dốc nhiệt độ giảm đáng kể. Ví dụ, khi nhiệt độ được hạ xuống từ 300K xuống 77K, độ dẫn nhiệt của tinh thể YAG tăng lên một hệ số bảy.

Hệ số khuếch tán nhiệt cũng giảm mạnh. Điều này, cùng với việc giảm độ dốc nhiệt độ, dẫn đến hiệu ứng thấu kính nhiệt giảm và do đó giảm khả năng vỡ căng thẳng.

Hệ số quang nhiệt cũng giảm, làm giảm thêm hiệu ứng ống kính nhiệt.

Sự gia tăng mặt cắt độ hấp thụ của ion đất hiếm chủ yếu là do sự giảm mở rộng do hiệu ứng nhiệt. Do đó, công suất bão hòa giảm và tăng laser. Do đó, công suất bơm ngưỡng bị giảm và các xung ngắn hơn có thể thu được khi công tắc Q đang hoạt động. Bằng cách tăng độ truyền qua của khớp nối đầu ra, hiệu suất độ dốc có thể được cải thiện, do đó, hiệu ứng mất khoang ký sinh trở nên ít quan trọng hơn.

Số hạt của tổng mức thấp của môi trường tăng cấp độ hai cấp độ được giảm, do đó, công suất bơm ngưỡng bị giảm và hiệu quả công suất được cải thiện. Ví dụ, YB: YAG, tạo ra ánh sáng ở mức 1030nm, có thể được coi là một hệ thống cấp độ ba ở nhiệt độ phòng, nhưng hệ thống bốn cấp ở mức 77K. ER: Điều tương tự cũng đúng với Yag.

Tùy thuộc vào môi trường tăng, cường độ của một số quá trình làm nguội sẽ giảm.

Kết hợp với các yếu tố trên, hoạt động nhiệt độ thấp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của laser. Đặc biệt, laser làm mát nhiệt độ thấp có thể thu được công suất đầu ra rất cao mà không có hiệu ứng nhiệt, nghĩa là chất lượng chùm tia tốt có thể thu được.

Một vấn đề cần xem xét là trong một tinh thể laser được tạo ra, băng thông của ánh sáng bức xạ và ánh sáng hấp thụ sẽ giảm, do đó, phạm vi điều chỉnh bước sóng sẽ hẹp hơn, và chiều rộng đường và độ ổn định bước sóng của laser được bơm sẽ nghiêm ngặt hơn. Tuy nhiên, hiệu ứng này thường là hiếm.

Làm mát lạnh thường sử dụng chất làm mát, chẳng hạn như nitơ lỏng hoặc helium chất lỏng, và lý tưởng là chất làm lạnh lưu thông qua một ống gắn vào tinh thể laser. Chất làm mát được bổ sung trong thời gian hoặc tái chế trong một vòng kín. Để tránh hóa rắn, thường cần phải đặt tinh thể laser trong buồng chân không.

Khái niệm về các tinh thể laser hoạt động ở nhiệt độ thấp cũng có thể được áp dụng cho các bộ khuếch đại. Titanium Sapphire có thể được sử dụng để tạo ra bộ khuếch đại phản hồi tích cực, công suất đầu ra trung bình tính bằng hàng chục watt.

Mặc dù các thiết bị làm mát lạnh có thể làm phức tạpHệ thống laser, các hệ thống làm mát phổ biến hơn thường ít đơn giản hơn và hiệu quả của việc làm mát lạnh cho phép giảm độ phức tạp.